KR19990021186A - Method and apparatus for driving brushless three-phase DC motor - Google Patents

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구자남
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윤종용
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Abstract

개시된 내용은 회전위치 감지센서가 없는 브러쉬리스 3상직류모터를 정지상태에서 센서리스모드까지 구동시키기 위한 브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 구동방법은, 정지상태에 있는 브러쉬리스 3상직류모터의 2개의 상을 여자시키는 단계, 여자된 2개의 상보다 위상이 120도 앞선 2개의 상을 여자시키는 통전신호를 인가하는 단계 및, 이와 동시에 센서리스모드로 전환하는 단계로 구성되고, 각 구동단계를 제어하는 구동장치를 포함하고 있다. 따라서, 본 발명은 역기전력에 의한 회전자의 위치파악이 불필요하므로 구동방법이 간단함은 물론, 종래의 강제구동에 의한 과전류를 방지하므로 써 구동전력 감소 및 모터를 보호하는 효과를 제공한다. 또한 세탁기, 에어콘, 냉장고, VCR, 자동차 등 브러쉬리스 직류모터가 사용된 다양한 제품에 본 발명을 적용이 가능하다.The present disclosure relates to a method and apparatus for driving a brushless three-phase DC motor for driving a brushless three-phase DC motor without a rotational position sensor from a stationary state to a sensorless mode. The driving method of the present invention comprises the steps of exciting two phases of a brushless three-phase DC motor in a stationary state, applying an energization signal for exciting two phases 120 degrees ahead of the two excited phases; And a step of switching to the sensorless mode at the same time, and including a driving device for controlling each driving step. Therefore, the present invention does not need to know the position of the rotor by the counter electromotive force, the driving method is simple, as well as to prevent the overcurrent by the conventional forced driving, thereby providing the effect of reducing the driving power and protecting the motor. In addition, the present invention can be applied to various products using a brushless DC motor, such as a washing machine, an air conditioner, a refrigerator, a VCR, and an automobile.

Description

브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법 및 장치Method and apparatus for driving brushless three-phase DC motor

본 발명은 브러쉬리스 3상직류모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 정지상태에 있는 브러쉬리스 3상직류모터를 일정한 속도로 회전하는 상태까지 구동하기 위한 브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법 및 이를 제어하는 구동장치에 관한 것이다.The present invention relates to a brushless three-phase DC motor, and more particularly, to a brushless three-phase DC motor driving method for driving the brushless three-phase DC motor in a stationary state to rotate at a constant speed and the same. It relates to a driving device for controlling.

일반적인 직류모터는 내장된 브러쉬와 정류자를 이용해 모터를 회전시킨다. 이와는 달리, 브러쉬리스 3상직류모터는 구동회로를 구성하는 트랜지스터(이하 TR) 및 전계효과트랜지스터(이하 MOSFET)의 게이트전압을 컴퓨터로 제어하여 회전시키는 모터를 의미한다. 또한, 브러쉬리스 3상직류모터는 일반 직류모터에서 발생하는 브러쉬 마모 및 정류자의 불꽃발생이 제거되는 장점이 있다.Typical DC motors use a built-in brush and commutator to rotate the motor. In contrast, a brushless three-phase DC motor refers to a motor that controls and rotates gate voltages of transistors (hereinafter, TR) and field effect transistors (hereinafter, MOSFETs) constituting a driving circuit by a computer. In addition, the brushless three-phase DC motor has the advantage that the brush wear and the commutation of the commutator generated in a general DC motor is removed.

이러한 종래의 브러쉬리스 3상직류모터를 구동하기 위한 장치 및 방법을 도 1, 도 2 및 도 3에 도시하였다.An apparatus and method for driving such a conventional brushless three-phase DC motor is illustrated in FIGS. 1, 2, and 3.

도 1은 종래의 브러쉬리스 3상직류모터의 구동장치를 도시한 블록도이다 .1 is a block diagram showing a driving apparatus of a conventional brushless three-phase DC motor.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 구동장치는, 3상직류모터(30)를 작동시키기는 전원을 인가하는 전원공급부(10)가 있고, 전원공급부(10)의 출력단에는 3상직류모터(30)를 구동하는 인버터(20)가 연결된다. 인버터(20)에는 인버터(20)에서 출력된 전압을 인가받아 구동되는 3상직류모터(30)가 결합된다. 그리고, 브러쉬리스 3상직류모터(30)의 회전상태를 제어하기 위한 제어부(40)가 인버터(20) 및 직류모터(30)에 연결되고, 이 제어부(40)에는 운용자가 시스템 조종을 위한 작동조종부(50)가 연결된다.As shown in FIG. 1, the conventional driving apparatus includes a power supply unit 10 for applying power to operate the three-phase DC motor 30, and at the output end of the power supply unit 10, a three-phase DC motor ( An inverter 20 for driving 30 is connected. The inverter 20 is coupled to the three-phase DC motor 30 is driven by receiving the voltage output from the inverter 20. Then, the control unit 40 for controlling the rotation state of the brushless three-phase DC motor 30 is connected to the inverter 20 and the DC motor 30, the operator 40 is operated by the operator to control the system The control unit 50 is connected.

제어부(40)의 A/D변환기(401)는, 직류모터(30)에 구동전압을 공급하는 2상의 신호선을 제외한 나머지 1개선으로부터 zero-cross pulse(위치검출을 위한 신호, 이하 ZCP)를 입력받아 Digital신호로 변환하여 출력한다. 이 A/D변환기(401) 출력단에 회전자의 위치를 결정하는 위치결정단(402)이 연결된다. 그리고 위치결정단(402)의 출력은 지연계산단(403) 및 속도계산단(404)에 각각 연결된다.The A / D converter 401 of the control unit 40 inputs a zero-cross pulse (signal for position detection, hereinafter referred to as ZCP) from one other line except for two-phase signal lines for supplying a driving voltage to the DC motor 30. Receive it and convert it into a digital signal for output. A positioning end 402 for determining the position of the rotor is connected to the output end of the A / D converter 401. The output of the positioning stage 402 is connected to the delay calculating stage 403 and the speed calculating stage 404, respectively.

또한, 작동조종부(50)는 운용자가 조정한 직류모터(30)의 회전속도 신호를 발생하고, 이 신호는 A/D변환기(406)를 거쳐 감산기(405)로 입력된다. 감산기(405)는 작동조종부(50)에 연결된 제어부(40)의 A/D변환기(406) 및 속도계산단(404)의 출력을 인가받고, 그 차이에 해당하는 신호를 비례적분단(407)에 공급한다. 비례적분단(407)의 출력은 PWM변환단(408)에 인가된다. PWM변환단(408)은 작동모드에 따라 오픈-루프 구동기(409) 및 지연계산단(403)에 선택적으로 연결되며, 제어부(40)의 최종출력을 인버터(20)에 인가한다.In addition, the operation control unit 50 generates a rotational speed signal of the DC motor 30 adjusted by the operator, which is input to the subtractor 405 via the A / D converter 406. The subtractor 405 receives the outputs of the A / D converter 406 and the speed calculator 404 of the controller 40 connected to the operating control unit 50, and proportionally integrates the signal corresponding to the difference 407. To feed. The output of the proportional integral stage 407 is applied to the PWM conversion stage 408. The PWM conversion stage 408 is selectively connected to the open-loop driver 409 and the delay calculation stage 403 according to the operation mode, and applies the final output of the control unit 40 to the inverter 20.

제어부(40)내의 각 단들은 입력과 출력이 일정한 방향으로 전달되는 연결된 구조를 가지는데 반해, 오픈-루프 구동기(409)는 독립적으로 존재한다. 오픈-루프 구동기(409)는 직류모터(30)가 정지상태에 있을 때, 센서리스모드로 전환하기 전까지 직류모터(30)를 강제적으로 구동시킨다.Each stage in the controller 40 has a connected structure in which inputs and outputs are transmitted in a constant direction, whereas the open-loop driver 409 exists independently. When the DC motor 30 is in the stopped state, the open-loop driver 409 forcibly drives the DC motor 30 before switching to the sensorless mode.

도 2는 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치의 인버터 및 3상직류모터를 등가회로로 도시한 블럭도이다.2 is a block diagram showing an inverter and a three-phase DC motor of the brushless three-phase DC motor driving device in an equivalent circuit.

도시한 바와 같이, 인버터(20) 및 3상직류모터(30)는,As shown, the inverter 20 and the three-phase DC motor 30,

회로를 동작시키기 위한 입력전압(Vd), 직류모터(30)의 3상을 구동시키기 위한 3단의 상구동회로(20a, 20b, 20c), 및 3상직류모터(30)로 구성된다. 각 상구동회로(20a, 20b, 20c)는 TR과 다이오드가 병렬로 결합하고, 이러한 병렬쌍 2개가 직렬로 연결된 형태이다. 3상직류모터(30)는 Y결선을 취하고 있으며, 각 상은 저항(R), 여자코일(L) 및 전자석(Ea, Eb, Ec)을 구비하고 있다.An input voltage Vd for operating the circuit, three phase drive circuits 20a, 20b, 20c for driving three phases of the DC motor 30, and a three-phase DC motor 30 are included. Each of the phase driving circuits 20a, 20b, and 20c has a TR and a diode coupled in parallel, and two such parallel pairs are connected in series. The three-phase DC motor 30 has a Y connection, and each phase includes a resistor R, an excitation coil L, and an electromagnet Ea, Eb, and Ec.

도 3은 오픈-루프 강제구동시 인버터내 3상구동회로의 각 게이트에 인가하는 제어펄스의 모형을 도시한 것이다.FIG. 3 illustrates a model of a control pulse applied to each gate of a three-phase drive circuit in an inverter during open-loop forced driving.

도시한 바와 같이, 오픈-루프 강제구동 펄스의 듀티(duty;펄스신호의 high와 low상태의 비율)는 서로 다른 6개의 상태를 가지며, 듀티는 작은 값에서 큰 값으로 변화하는 형태를 취하고 있다.As shown, the duty of the open-loop forced drive pulse (the ratio of the high and low states of the pulse signal) has six different states, and the duty takes the form of changing from a small value to a large value.

이와 같은 종래의 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 동작을 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.The operation of the brushless three-phase DC motor according to the conventional invention will be described in detail with reference to FIGS. 1, 2, and 3.

종래의 브러쉬리스 3상직류모터(30)의 동작은 크게 2가지 모드, 즉 정지시부터 센서리스모드로 전환하기 전까지의 오픈-루프 구동모드와, 오픈-루프 구동중 직류모터(30)의 회전이 일정속도에 도달하면 전환되는 센서리스모드로 구분된다.The conventional brushless three-phase DC motor 30 operates in two modes, namely, the open-loop driving mode from the standstill to the sensorless mode, and the rotation of the DC motor 30 during the open-loop driving. When this constant speed is reached, it is divided into sensorless mode.

먼저, 도 1을 참조하여, 모터의 일반적인 회전상태인 센서리스모드를 살펴본다.First, referring to FIG. 1, a sensorless mode that is a general rotation state of a motor will be described.

도시한 바와 같이, 전원공급부(10)에서 인가한 직류전원은 인버터(20)에 공급된다. 인버터(20)는 직류모터(30)에 내장된 3개의 상을 구동하는 상구동회로를 구비하고 있고, 이 3상을 제어하는 신호는 제어부(40)의 PWM변환단(408)에서 공급된다.As shown, the DC power applied from the power supply unit 10 is supplied to the inverter 20. The inverter 20 includes a phase driving circuit for driving three phases embedded in the DC motor 30, and a signal for controlling the three phases is supplied from the PWM conversion stage 408 of the controller 40.

인버터는 6개 TR이 3개의 상구동회로를 이루고 있는 데(도 2참조), PWM변환단(408)은 6개 TR의 게이트에 연결되는 6개의 제어신호선에 각각 구동신호를 출력한다.The inverter has three TRs of three phase driving circuits (see FIG. 2), and the PWM conversion stage 408 outputs driving signals to six control signal lines connected to the gates of the six TRs.

일예로, 맨 처음 두 개의 TR인 Ta+ 및 Tb-에 게이트전압을 인가하면, a상구동회로의 상단과 b상구동회로의 하단의 TR이 도통되어 직류모터(30)의 상a 및 상b가 여자된다. 이렇게 2개의 상이 여자되면, 모터는 회전구동력을 받아 회전을 시작한다.For example, when a gate voltage is applied to the first two TRs, Ta + and Tb-, the upper TR of the a phase driving circuit and the TR of the bottom of the b phase driving circuit are conducted so that the phases a and b of the DC motor 30 are connected. Become a woman. When these two phases are excited, the motor starts to rotate under the rotational driving force.

다음, 짧은 시간 간격을 두고, 두개의 TR, Tb+ 및 Tc-에 게이트전압을 인가하면, 상b구동회로의 상단과 상c구동회로의 하단이 도통되어 직류모터(30)의 상b 및 상c가 여자된다.Next, when a gate voltage is applied to the two TRs, Tb + and Tc- at a short time interval, the upper end of the phase b driving circuit and the lower end of the phase c driving circuit are conducted so that the phases b and c of the DC motor 30 are connected. Become a woman.

이런 두 번째 제어신호는 첫번째 구동한 두 개의 상보다, 위상이 120도 앞선 두 개의 상을 구동하고, 이런 방식으로 위상의 변화를 주면서 계속적으로 제어신호를 가하면, 직류모터(30)는 회전하게 된다.This second control signal drives two phases 120 degrees ahead of the first two phases driven, and if the control signal is continuously applied while changing the phase in this manner, the DC motor 30 rotates. .

직류모터(30)가 회전할 때 회전위치를 나타내는 ZCP가 제어부(40)의 A/D변환기(401)에 입력된다. ZCP는 구동전류가 흐르지않는 나머지 1개의 상에서 나오는 역기전력에 의한 신호이다. 일예로, 인버터(20)에서 상a 및 상b를 구동하는 전류를 3상직류모터(30)에 인가하여 상a 및 상b가 동작하고 있다면, 나머지 상c에서 역기전력에 의해 출력되는 신호가 ZCP이다.When the DC motor 30 rotates, the ZCP indicating the rotation position is input to the A / D converter 401 of the controller 40. ZCP is a signal by the counter electromotive force coming out of the remaining one phase in which no driving current flows. For example, if the phases a and b are operating by applying currents driving the phases a and b in the inverter 20 to the three-phase DC motor 30, the signal output by the counter electromotive force in the remaining phase c is ZCP. to be.

A/D변환기(401)에 입력된 ZCP는 디지탈신호로 변환되고, 이 디지탈신호는 위치결정단(402)에 입력된다. 위치결정단(402)에서 회전자의 현재 위치가 계산되어 지연계산단(403) 및 속도계산단(404)에 공급된다. 지연계산단(403)은 운용자가 지정한 회전속도로 맞추기 위해 펄스 듀티를 늘이거나 줄여야 할 시간을 계산한다.The ZCP input to the A / D converter 401 is converted into a digital signal, which is input to the positioning stage 402. In the positioning stage 402, the current position of the rotor is calculated and supplied to the delay calculating stage 403 and the speed calculating stage 404. Delay calculation stage 403 calculates the time to increase or decrease the pulse duty to meet the rotational speed specified by the operator.

속도계산단(404)은 현재의 속도를 계산하여 감산기(405)에 인가한다. 감산기(405)의 또 다른 입력은 작동조종부(50)로부터 인가된다. 작동조종부(50)는 운용자가 직류모터(30)의 회전상태를 제어하기 위한 조종판을 구비하고 있다. 운용자가 원하는 회전속도로 조종하면, 즉 회전을 증가시키거나 감소시키면, 이 조종신호는 A/D변환기(406)에 의해 디지탈신호로 변환되어 감산기(405)에 입력된다.The speed calculator 404 calculates the current speed and applies it to the subtractor 405. Another input of the subtractor 405 is applied from the operating control section 50. Operation control unit 50 is provided with a control panel for the operator to control the rotation state of the DC motor (30). When the operator steers at a desired rotational speed, that is, increases or decreases the rotation, the steering signal is converted into a digital signal by the A / D converter 406 and input to the subtractor 405.

감산기(405)에서는 직류모터(30)의 현재속도와 운용자가 지정한 속도를 비교하여 그 차에 해당하는 신호를 비례적분단(407)에 인가한다. 비례적분단(407)은 감산기(405)에서 입력된 신호를 적분하여 PWM변환단(408)에 공급하고, PWM변환단(408)은 지연계산단(403)과 비례적분단(407)에서 입력되는 두 신호에 의해 계산한 게이트 제어펄스를 인버터(20)로 출력한다.The subtractor 405 compares the current speed of the DC motor 30 with the speed specified by the operator and applies a signal corresponding to the difference to the proportional integral 407. The proportional integrating stage 407 integrates the signal input from the subtractor 405 and supplies it to the PWM converting stage 408, and the PWM converting stage 408 is input from the delay calculating stage 403 and the proportional integrating stage 407. The gate control pulse calculated by the two signals to be outputted to the inverter 20.

도 2 및 도 3을 참조하여, 정지상태에 있는 직류모터(30)를 구동시키기 위한 종래의 오픈-루프 강제구동방법을 살펴보자. 종래의 오픈-루프 강제구동방법은 브러쉬리스 3상직류모터(30)가 정지하여 역기전력을 발생할 수 없을 경우에, 센서리스모드로 전환하기 전까지 직류모터(30)를 회전시키는 종래의 구동방법이다.Referring to Figures 2 and 3, let's look at the conventional open-loop forced drive method for driving the DC motor 30 in a stationary state. The conventional open-loop forced driving method is a conventional driving method of rotating the DC motor 30 before switching to the sensorless mode when the brushless three-phase DC motor 30 is stopped and no counter electromotive force can be generated.

제어부(40)의 스위치(S.W)를 전환하여 PWM변환단(408)에 오픈-루프 구동기(409)를 연결한다(도 1참조). 오픈-루프 구동기(409)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 6가지 상태를 가지는 오픈-루프 구동펄스를 강제적으로 발생한다. 이 때, 오픈-루프 구동기(409)는 운용자가 지정하는 속도에 비례하여 정해진 비율에 따라 일방적으로 PWM듀티를 변화시킨다. 이 신호에 의해 브러쉬리스 3상직류모터(30)의 회전이 지정속도까지 가속된다. 제어부(40)는 지연계산단(403)의 출력신호보다 큰 PWM듀티를 갖는 속도에서 단자전압 센싱을 시작한다. 제어부(40)는 센싱한 단자전압의 ZCP를 검출하고, 연속적으로 검출한 2개의 ZCP간격이, 오픈-루프 강제구동에서 인가하고 있는 구동펄스의 간격과 유사한 경우 센서리스모드로 전환한다.The switch S.W of the controller 40 is switched to connect the open-loop driver 409 to the PWM conversion stage 408 (see FIG. 1). The open-loop driver 409 forcibly generates open-loop drive pulses having six states, as shown in FIG. At this time, the open-loop driver 409 unilaterally changes the PWM duty in proportion to the speed specified by the operator. This signal accelerates the rotation of the brushless three-phase DC motor 30 to a predetermined speed. The controller 40 starts sensing the terminal voltage at a speed having a PWM duty larger than the output signal of the delay calculation stage 403. The controller 40 detects the ZCP of the sensed terminal voltage, and switches to the sensorless mode when two consecutively detected ZCP intervals are similar to the intervals of the driving pulses applied in the open-loop forced driving.

하지만 위와같은 종래의 브러쉬리스 3상직류모터 구동방법은, 직류모터의 회전가속도와 강제구동펄스의 듀티가 어느 정도 일치되지 않을 경우 ZCP가 검출되지 않으므로, 센서리스모드 전환이 잘 이루어지지 않는다. 또한 오픈-루프 강제구동시, 구동을 위해 전력이 큰 펄스를 인가하므로 과전류가 흐르는 문제점이 있다.However, in the conventional brushless three-phase DC motor driving method as described above, when the rotational acceleration of the DC motor and the duty of the forced driving pulse do not match to some extent, ZCP is not detected, so the sensorless mode is not easily switched. In addition, there is a problem in that an overcurrent flows because a large power pulse is applied for driving during open-loop forced driving.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 새로운 구동방법 및 장치를 제공함에 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a novel driving method and apparatus to solve the above problems.

도 1은 종래의 브러쉬리스 3상직류모터의 구동장치를 도시한 블록도.1 is a block diagram showing a driving apparatus of a conventional brushless three-phase DC motor.

도 2는 종래 구동장치의 인버터 및 3상직류모터의 등가회로.2 is an equivalent circuit of an inverter and a three-phase DC motor of a conventional driving device.

도 3은 브러쉬리스 3상직류모터를 구동하기 위한 종래의 오픈-루프(open- loop) 강제구동펄스의 일예를 도시한 도면.3 shows an example of a conventional open-loop forced drive pulse for driving a brushless three-phase DC motor.

도 4는 브러쉬리스 3상직류모터의 동작설명을 위해 상기 도 2의 인버터 및 3상직류모터의 등가회로를 간략화한 도면.Figure 4 is a simplified diagram of the equivalent circuit of the inverter and the three-phase DC motor of Figure 2 to explain the operation of the brushless three-phase DC motor.

도 5는 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법을 도시한 도면.5 is a view showing a method for driving a brushless three-phase DC motor according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 구동장치를 도시한 블록도.Figure 6 is a block diagram showing a drive device for a brushless three-phase DC motor according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 전원공급부 20 : 인버터10: power supply 20: inverter

30 : 브러쉬리스 3상직류모터30: Brushless 3-phase DC Motor

30a ; a상 30b : b상30a; Phase a 30b: Phase b

30c : c상 302 : 회전자30c: c phase 302: rotor

40 : 제어부40: control unit

401, 406 : A/D변환기 402 : 위치결정단401, 406: A / D converter 402: Positioning stage

403 : 지연계산단 404 : 속도계산단403: delay calculation stage 404: speed calculation stage

405 : 감산기 407 : 비례적분단405: subtractor 407: proportional integral

408 : PWM 변환단 409 : 오픈-루프 구동기408: PWM conversion stage 409: open-loop driver

50 : 작동조종부 60 : 초기구동부50: operation control unit 60: initial drive unit

70 : 자동전환스위치70: automatic changeover switch

T1 : 오픈-루프 강제구동시간 T2 : 센서리스모드 전환점T1: Open-loop forced drive time T2: Sensorless mode switching point

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법은,To drive the brushless three-phase DC motor according to the present invention for achieving the above object,

정지한 직류모터의 2개의 상을 여자시키는 단계, 여자된 2개의 상보다 위상이 120도 앞선 2개의 상을 여자시키는 통전신호를 주는 단계, 통전신호 인가와 동시에 센서리스모드로 전환하는 단계를 포함한다.Exciting two phases of the stationary DC motor, giving an energization signal for exciting two phases 120 degrees ahead of the excited two phases, and switching to a sensorless mode upon application of the energization signal do.

또한, 상기 구동단계를 수행하기 위해 본 발명의 구동장치는,In addition, the driving device of the present invention to perform the driving step,

2개의 상, 일예로 상a와 상b에 전류를 인가하는 회로, 여자시킨 2개의 상보다 위상이 120도 앞선 2개의 상에 통전신호를 인가하는 회로 및, 통전신호 인가와 동시에 센서리스모드로 전환하는 회로를, 구비한 초기구동부를 포함한다.A circuit for applying current to two phases, for example, phases a and b, a circuit for applying an energization signal to two phases 120 degrees ahead of the excited two phases, and a sensorless mode simultaneously with application of the energization signal. An initial drive part including a circuit for switching is included.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 센서리스 구동장치 및 방법에 대한 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the sensorless drive device and method of a brushless three-phase DC motor according to the present invention.

도 4는 브러쉬리스 3상직류모터의 인버터를 간략화한 블록도이다.4 is a simplified block diagram of an inverter of a brushless three-phase DC motor.

도 4를 참조하여, 브러쉬리스 3상직류모터가 센서리스모드로 동작하기 위한 회전조건을 파악하기 위해 수식을 전개한다. 또한 이러한 수식전개는 본 발명을 수행할 수 있는 기본개념을 제공한다.With reference to Figure 4, the brushless three-phase DC motor is developed to determine the rotational conditions for operating in the sensorless mode. In addition, the above equation development provides a basic concept for carrying out the present invention.

도시한 바와 같이, 실선화살표는 a상구동회로의 Ta+, 및 b상구동회로의 Tb-에 구동신호를 인가할 경우, 회로에 흐르는 전류 i를 도시한 것이다. 이 때 C상은 개방되고, 모터가 센서리스모드에서 동작할 경우 역기전력을 발생한다.As shown, the solid arrows show the current i flowing in the circuit when the drive signal is applied to Ta + of the a-phase drive circuit and Tb- of the b-phase drive circuit. At this time, the C phase is open and generates counter electromotive force when the motor is operated in the sensorless mode.

Ta+가 on상태이면 TR의 구동전압은 주전류 i를 증가시키고, Ta+가 off이면 전류 i는 프리휠링 다이오드 Da-를 통해 감소하며 흐른다. 이 때, Da-와 Tb-를 통하는 루프 방정식은 수학식 1과 같다.When Ta + is on, the drive voltage of TR increases the main current i; when Ta + is off, current i flows down through the freewheeling diode Da-. At this time, the loop equation through Da- and Tb- is shown in Equation (1).

상기한 식을 정리하면, 수학식 2와 같다.Summarizing the above equation, it is the same as Equation 2.

한편, 직류모터(30)의 중성점 전압 vn은 수학식 3과 같다.Meanwhile, the neutral point voltage v n of the DC motor 30 is expressed by Equation 3 below.

따라서, 중성점 전압 vn은 수학식 4와 같이 표현된다.Therefore, the neutral point voltage v n is expressed as in Equation 4.

또, C상의 단자전압 vc는 ec+ vn이므로 수학식 5와 같다.In addition, since the terminal voltage v c of the C phase is e c + v n, it is represented by Equation 5.

여기서, vce는 구동용 TR의 컬렉터와 에미터사이의 순방향 전압강하이고, vF는 프리휠링 다이오드의 순방향 전압강하이다. 이 식은 유도과정에서 저항과 인덕턴스가 고려되었지만 직류모터(30)에 관련된 상수가 포함되어 있지 않으므로, 직류모터(30)가 과도 상태일 경우에도 유효하다.Where v ce is the forward voltage drop between the collector and emitter of the driving TR, and v F is the forward voltage drop of the freewheeling diode. This equation is valid even when the DC motor 30 is in a transient state since resistance and inductance are considered in the induction process, but the constants related to the DC motor 30 are not included.

다이오드 DC-의 통전조건은 vc-VF이므로,상기 식을 여기에 대입하면 수학식 6과 같다.Since the energization condition of the diode D C- is v c -V F , substituting the above equation is as in Equation 6.

여기에 역기전력이 사다리꼴이므로, ec값이 영점근처일 경우 ea+ eb는 거의 영이다. 따라서 DC-의 통전 조건은 수학식 7과 같다.Since the back EMF is trapezoidal, e a + e b is almost zero when the value e c is near zero. Therefore, the energization condition of D C- is given by Equation 7.

일반적으로 Vce와 VF는 역기전력보다 훨씬 작으므로, c상의 역기전력ec가 음일 때, 개방된 c상의 전류는 다이오드 DC-를 통하여 흐른다.In general, V ce and V F are much smaller than the counter electromotive force, so when the counter electromotive force e c on c is negative, an open c phase current flows through the diode D C- .

전술한 수식전개를 참조하여, 센서리스모드의 동작조건을 상세히 설명한다. 센서리스모드는, 직류모터(30)가 안정된 상태로 회전하는 것을 의미하며, 이 때 제어부는 회전위치를 나타내는 ZCP를 검출할 수 있다. 전술한 바와 같이, ZCP는 3상중 구동전류가 흐르지않는 1개의 상에서 나오는 역기전력에 의한 신호이다.With reference to the above-described equation evolution, the operating conditions of the sensorless mode will be described in detail. The sensorless mode means that the DC motor 30 is rotated in a stable state. At this time, the controller can detect a ZCP indicating the rotation position. As described above, the ZCP is a signal due to the counter electromotive force coming out of one phase in which the three-phase driving current does not flow.

이 역기전력을 검출하면 회전자의 위치가 파악되므로 계속 회전시키는 것이 가능한 데, 이러한 역기전력을 검출하기 위해서는 직류모터가 일정속도 이상으로 회전하고 있어야 한다.When the counter electromotive force is detected, the position of the rotor can be detected, so that it can be continuously rotated. In order to detect the counter electromotive force, the DC motor must be rotating at a constant speed or more.

역기전력의 크기는 회전자의 속도에 비례하므로, 정지시 회전자의 위치를 검출하는 것은 불가능하다. 프리휠링 다이오드의 통전조건은 상기한 수학식 7과 같다. 따라서 개방된 상의 전류를 검출하기 위해서는 개방된 상의 역기전력이 ( VCE+ VF)/2 이상이어야 한다. VCE+ VF는 통상 1.2V이므로, 수학식 7에 의하여 역기전력은 0.6V이상이다. 직류모터(30)의 역기전력 상수는 크기 때문에, 반비례적으로 역기전력을 검출할 수 있는 회전속력은 작다. 일예로, 역기전력상수 Kv가 27.7㎷/rpm 일 경우 0.6V를 검출할 수 있는 속도는 22rpm이 된다. 결론적으로, 위의 경우 역기전력을 이용하여 센서리스 모드로 전환하기 위해서는 직류모터(30)의 회전속도가 22rpm이상이어야 가능하다. 일반적으로 역기전력상수는 위의 일예와 거의 비슷한 값을 갖는다. 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법 및 장치는, 상기한 회전속도 이상을 발생시킬 수 있는 새로운 구동방법 및 장치에 관한 것이다.Since the magnitude of the counter electromotive force is proportional to the speed of the rotor, it is impossible to detect the position of the rotor at rest. The energization condition of the freewheeling diode is as shown in Equation 7 above. Therefore, to detect the current in the open phase, the back EMF of the open phase must be greater than (V CE + V F ) / 2. Since V CE + V F is usually 1.2V, the counter electromotive force is 0.6V or more according to equation (7). Since the counter electromotive force constant of the DC motor 30 is large, the rotation speed that can inversely detect the counter electromotive force is small. For example, when the back EMF constant K v is 27.7 μs / rpm, the speed capable of detecting 0.6 V is 22 rpm. In conclusion, in the above case, in order to switch to the sensorless mode using the counter electromotive force, the rotation speed of the DC motor 30 may be more than 22 rpm. In general, the counter electromotive force constant is almost the same as the above example. The method and apparatus for driving a brushless three-phase DC motor according to the present invention are related to a novel driving method and apparatus capable of generating the above rotation speed.

도 5는 브러쉬리스 3상직류모터의 단면도이다. 센서리스모드로 전환하기 위한 조건 및 회전속도는 전술한 바와 같다.5 is a cross-sectional view of the brushless three-phase DC motor. The conditions and rotation speed for switching to the sensorless mode are as described above.

도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법을 자세히 설명한다.4 and 5, the method for driving the brushless three-phase DC motor according to the present invention will be described in detail.

도 5a에 도시한 바와 같이, 브러쉬리스 3상직류모터(30)는 회전자(302)가 중앙에 위치하고, 이 회전자(302)를 구동하기 위한 3상(30a,30b,30c)의 여자코일이 회전자(302) 주위에 60도의 간격으로 위치한다.As shown in FIG. 5A, the brushless three-phase DC motor 30 has a rotor 302 located at the center thereof, and an excitation coil of three phases 30a, 30b, and 30c for driving the rotor 302. It is located around the rotor 302 at an interval of 60 degrees.

먼저, 3상직류모터(30)의 2개의 상(30a,30b)을 여자시킨다. 전술한 종래의 브러쉬리스 직류모터 구동방법에서와 같이, 먼저 두 개의 TR인 Ta+ 및 Tb-에 게이트전압을 인가하면(도 4참조), 직류모터(30)의 상a 및 상b가 여자된다. 이 때, 회전자(302)가 일정한 방향(도면에서는 반시계방향)으로 회전력이 발생되도록 여자코일의 전류방향을 설정한다. 이렇게 2개의 상이 여자되면 회전자는 회전구동력을 받아 회전을 시작한다.First, two phases 30a and 30b of the three-phase DC motor 30 are excited. As in the conventional brushless DC motor driving method described above, when a gate voltage is first applied to two TRs Ta + and Tb- (see FIG. 4), phases a and b of the DC motor 30 are excited. At this time, the rotor 302 sets the current direction of the excitation coil so that the rotational force is generated in a constant direction (counterclockwise in the drawing). When the two phases are excited, the rotor starts to rotate under the rotational driving force.

짧은 시간 간격을 두고, 두번째로 신호를 가해 상기 여자된 상(30a,30b)보다 위상이 120도 앞선 2개의 상(30b,30c)을 여자시키면, 도 5b 에 도시한 바와 같이, 회전자(302)는 반시계방향으로 가속하면서 회전한다. 이와 동시에 도 6에서 설명할 자동전환스위치(70)의 동작에 의해, 직류모터(30)의 동작모드가 센서리스모드로 전환된다.At a short time interval, when a second signal is applied to excite the two phases 30b, 30c 120 degrees ahead of the excited phases 30a, 30b, as shown in FIG. 5B, the rotor 302 ) Rotates while accelerating counterclockwise. At the same time, the operation mode of the DC motor 30 is switched to the sensorless mode by the operation of the automatic switching switch 70 to be described with reference to FIG. 6.

도 6은 본 발명에 따른 브러쉬리스 3상직류모터의 구동장치를 도시한 것이다.Figure 6 illustrates a drive device for a brushless three-phase DC motor according to the present invention.

도시한 바와 같이, 본 발명의 구동장치는 종래 구동장치와 거의 유사하게 구성되어 있다. 그러나 본 발명의 구동장치는, 종래 구동장치의 제어부(40)에 내장되었던 오픈-루프 강제구동기(409, 도 1참조)대신, 정지상태에 있는 직류모터(30)를 센서리스모드 전환시까지 구동하기 위한 초기구동부(60)를 내장하고 있다.As shown, the drive device of the present invention is constructed almost similarly to the conventional drive device. However, the driving device of the present invention, instead of the open-loop forced driver 409 (see FIG. 1), which is built in the control unit 40 of the conventional driving device, drives the DC motor 30 in the stopped state until switching to the sensorless mode. The initial drive unit 60 is built in.

도 2, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류모터의 초기구동과정을 상세히 설명한다.2, 5 and 6 will be described in detail the initial driving process of the brushless DC motor according to the present invention.

도 6에 도시한 바와 같이, 초기구동부(60)는 작동조종부(50)로부터 구동신호를 인가받고, 초기구동 시작시와 종료시, 인버터(20)의 입력선을 초기구동부(60)에서 제어부(40)로 전환시키기 위한 구동신호를 자동전환스위치(70)에 인가한다. 따라서, 인버터(20)는 초기구동시에는 초기구동부(60)에, 센서리스모드 동작시에는 제어부(40)에 연결된다.As shown in FIG. 6, the initial drive unit 60 receives a drive signal from the operation control unit 50, and at the start and end of the initial drive, the input line of the inverter 20 is controlled by the initial drive unit 60. A driving signal for switching to 40 is applied to the automatic changeover switch 70. Therefore, the inverter 20 is connected to the initial drive unit 60 during the initial drive, and to the control unit 40 during the sensorless mode operation.

초기구동부(60)는 2개의 상을 여자시키기 위한 회로, 현재 동작중인 상보다 위상이 120도 앞선 2개의 상에 전류를 인가할 수 있는 회로 및, 전류인가와 동시에 본 구동장치를 센서리스모드로 전환시키는 회로를 구비하고 있다. 직류모터(30)의 센서리스모드 동작은 종래의 구동방법과 동일하게 이루어 진다. 따라서, 여기서는 초기구동과정을 상세히 설명한다.The initial driving unit 60 is a circuit for exciting two phases, a circuit capable of applying a current to two phases 120 degrees ahead of a phase currently in operation, and simultaneously applying this current to the sensorless mode. The circuit which switches is provided. The sensorless mode operation of the DC motor 30 is performed in the same manner as the conventional driving method. Therefore, the initial driving process will be described in detail here.

운용자가 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치를 동작시키면, 작동조종부(50)는 초기구동부(60)를 구동하기 위한 신호를 발생한다. 초기구동부(60)는 동작시작과 동시에 자동전환스위치(70)에 신호를 인가하여, 인버터(20))의 입력부가 초기구동부(60)에 연결되도록 전환시킨다.When the operator operates the brushless three-phase DC motor drive device, the operation control unit 50 generates a signal for driving the initial drive unit (60). The initial driving unit 60 applies a signal to the automatic switching switch 70 at the same time as the operation starts, thereby switching the input of the inverter 20 to be connected to the initial driving unit 60.

초기구동부(60)는 먼저 2개의 상(30a,30b)을 여자시키기 위하여 2개의 TR, Ta+ 및 Tb-를 동작시키는 게이트전압을 출력한다. 이 후 짧은 시간 간격을 두고, 초기구동부(60)는 위상이 120도 앞선 2개의 상(30b, 30c)을 여자시키기 위하여, 인버터 3상구동회로의 Tb+ 및 Tc-의 게이트전압을 출력하여 회전자(302)를 가속시킨다. 이와 동시에, 초기구동부(60)는 자동전환 스위치(70)에 전환신호를 인가하여 인버터(20)의 입력선이 제어부(40)에 연결되도록 전환한다.The initial driver 60 first outputs a gate voltage for operating two TRs, Ta + and Tb− to excite the two phases 30a and 30b. After a short time interval, the initial drive unit 60 outputs the gate voltages of Tb + and Tc- of the inverter three-phase drive circuit in order to excite the two phases 30b and 30c whose phase is 120 degrees. Accelerate 302. At the same time, the initial driving unit 60 converts the input line of the inverter 20 to be connected to the control unit 40 by applying a switching signal to the automatic switching switch 70.

제어부(40)는 본 구동장치가 초기동작할 때부터 센서리스모드 동작형태의 출력신호를 발생한다. 자동전환스위치(70)가 전환되어 인버터(20)의 입력선이 제어부(40)에 연결되면 센서+리스모드에 의한 모터(30)의 회전구동이 일정하게 유지된다.The controller 40 generates an output signal of the sensorless mode operation mode from the initial operation of the drive device. When the automatic switching switch 70 is switched so that the input line of the inverter 20 is connected to the control unit 40, the rotational drive of the motor 30 by the sensor + lease mode is kept constant.

상술한 바와 같이, 본 발명은 정지상태에 있는 브러쉬리스 3상직류모터를 구동할 때, 역기전력을 이용한 회전자의 위치파악이 불필요하므로 기동방법이 간단하고, 종래의 구동방법에 의한 과전류의 흐름을 방지하므로써, 직류모터를 보호하고 수명을 연장시키는 효과를 제공한다. 또한 세탁기, 에어콘, 냉장고, VCR, 자동차 등 브러쉬리스 직류모터를 사용하는 다양한 제품에 본 발명을 적용할 수 있다.As described above, when the brushless three-phase DC motor in a stationary state is driven, it is not necessary to locate the rotor using counter electromotive force, so the starting method is simple, and the overcurrent flow by the conventional driving method is simplified. This provides protection for the DC motor and prolongs its life. In addition, the present invention can be applied to various products using a brushless DC motor, such as a washing machine, an air conditioner, a refrigerator, a VCR, and an automobile.

Claims (6)

브러쉬리스 3상직류모터의 구동방법에 있어서,In the method of driving a brushless three-phase DC motor, (1) 정지상태에 있는 3상직류모터의 3상중 2개의 상을 여자시키는 단계;(1) exciting two of the three phases of the three phase DC motor at rest; (2) 상기 여자된 2개의 상보다 위상이 120도 앞선 2개의 상을 여자시키는 단계; 및(2) exciting two phases 120 degrees out of phase with the two excited phases; And (3) 상기 120도 앞선 2개의 상을 여자시킴과 동시에 센서리스모드로 전환하는 단계를 포함하는 브러쉬리스 3상직류모터 구동방법.(3) Brushless three-phase DC motor drive method comprising the step of exciting the two phases ahead of 120 degrees and switching to the sensorless mode. 브러쉬리스 3상직류모터의 구동장치에 있어서,In a drive device for a brushless three-phase DC motor, 브러쉬리스 3상직류모터, 제어신호에 따라 상기 모터를 구동하는 구동수단, 정지상태의 상기 모터를 초기구동하기 위하여 제 1제어신호를 상기 구동수단에 인가하는 초기구동부, 상기 모터의 초기 구동후 상기 모터를 구동하기 위하여 제 2제어신호를 상기 구동수단에 인가하는 제어부를 포함하는 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치.Brushless three-phase DC motor, drive means for driving the motor in accordance with a control signal, an initial drive unit for applying a first control signal to the drive means for initially driving the motor in a stationary state, after the initial drive of the motor Brushless three-phase DC motor drive device including a control unit for applying a second control signal to the drive means for driving a motor. 제 2항에 있어서, 상기 초기구동부는 3상직류모터의 3상중 2개의 상을 여자시키는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치.3. The brushless three-phase DC motor drive device according to claim 2, wherein the initial driving unit includes a circuit for exciting two of three phases of the three-phase DC motor. 제 2항에 있어서, 상기 초기구동부는 위상이 120도 앞선 2개의 상을 여자시키는 것과 동시에 센서리스모드로 전환하는 회로를 포함하는 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치.3. The brushless three-phase DC motor driving device according to claim 2, wherein the initial driving unit includes a circuit for exciting two phases of which the phase is 120 degrees and switching to a sensorless mode. 제 4항에 있어서, 상기 초기구동부의 센서리스모드로 전환하는 회로는 센서리스모드 전환신호와 동시에 자동으로 전환되는 자동전환 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치.5. The brushless three-phase DC motor driving apparatus according to claim 4, wherein the circuit for switching to the sensorless mode of the initial driving unit includes an automatic switching switch which is automatically switched at the same time as the sensorless mode switching signal. 제 2항에 있어서, 상기 초기구동부는 과전류의 흐름을 방지할 수 있는 전류제한회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 3상직류모터 구동장치.3. The brushless three-phase DC motor driving device according to claim 2, wherein the initial driving unit includes a current limiting circuit capable of preventing the flow of overcurrent.
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KR100858540B1 (en) * 2002-07-03 2008-09-16 엘지전자 주식회사 Method for controlling BLDC motor for inverter airconditioner

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